Self-healing, 즉 자체 재생이 가능한 소재는 오랜기간 상상속에 존재했고 오랜기간 연구되어 왔습니다. 이번 포스팅에서는 IEEE Spectrum에 소개된 한국 연구팀의 관련 연구내용을 전합니다.
개요
팔꿈치에 밴드를 붙여 본 적이 있다면, 인체에 견고하게 부착되는 웨어러블 장치를 만드는 일이 얼마나 어려운지 잘 아실 것입니다. 여기에 디지털 전자 회로를 추가하면 문제가 더욱 복잡해집니다. 그뿐만 아니라 장치가 손상된 부분을 자동으로 고쳐야 하고, 생분해성으로 만들어야 한다고 하면 많은 연구자들이 손을 들어 포기할지도 모릅니다.
다행히, 고려대학교 융합과학기술대학원(KU-KIST)의 연구진이 이끄는 국제 연구팀은 이러한 도전에도 불구하고 연구를 이어갔고, 신축성, 자가 치유, 생체 적합성을 갖춘 도체 물질을 개발했다고 발표했습니다. 이 연구는 이번 달 Science Advances 저널에 실렸습니다.
이 생분해성 도체는 환자 모니터링과 필요한 부위에 직접 치료를 전달하는 새로운 접근 방식을 제시합니다. 예를 들어, 이 물질로 만든 스마트 패치는 움직임, 체온 등 다양한 생체 데이터를 측정할 수 있습니다. 또한 이 물질은 신체 내부에 이식될 수 있는 센서 패치나 내부 장기의 표면에 부착할 수 있는 센서로도 사용될 수 있습니다. 생체 적합성 물질은 일정 시간이 지나면 분해되도록 설계될 수 있어, 나중에 침습적인 절차로 센서를 제거할 필요가 없습니다.
로버트 로즈(Robert Rose) Rose Strategic Partners, LLC의 CEO는 이 기술에 대해 “이 새로운 기술은 원격 의료의 미래를 엿보게 해줍니다”라고 설명했습니다. 그는 원격 환자 모니터링 산업이 아직 초기 단계에 있지만, 가능성뿐만 아니라 가까운 미래에 실현될 수 있는 가능성을 이미 보고 있다고 덧붙였습니다. 또한, 그는 “수술 부위에 이식되어 내부 회복 과정을 모니터링하고 보고하는 장치를 상상해 보십시오. 장치가 손상되면 스스로 치유하고, 임무가 끝나면 단순히 녹아 사라집니다. 이것은 과학 소설처럼 들리지만, 이제는 과학적 사실입니다”라고 말했습니다.
자가 치유 탄성체
이 시스템은 두 가지 서로 다른 자가 치유 기능을 가진 유연한 소재층에 의존합니다. 하나는 전도성 층이고, 다른 하나는 센서와 회로를 지지하는 기판 역할을 하는 엘라스토머 층입니다. 전도성 층은 PEDOT라는 약어로 알려진 물질, 즉 Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate에 기반하고 있습니다. 이 물질은 유연한 디스플레이, 터치 패널, 웨어러블 장치 제작에 널리 사용되는 전도성 폴리머입니다. 연구팀은 폴리머의 전도성과 자가 치유 성능을 향상시키기 위해 폴리에틸렌 글리콜과 글리콜 같은 첨가제를 사용했습니다. 이 첨가제들은 전도성을 높이고, 자르거나 찢어지는 등의 손상을 자동으로 복구하는 능력을 강화하는 역할을 했습니다.
곡선형 조직에 맞추고 일반적인 신체 움직임을 견디기 위해, 기판층은 매우 유연해야 합니다. 연구팀은 피부나 개별 장기와 같은 곡선형 조직에 맞출 수 있는 엘라스토머를 기반으로 기판을 설계했습니다.
이 두 층은 화학 결합을 통해 서로 접착됩니다. 이 결합은 각 층의 플라스틱 필름 내에서 폴리머 사슬을 연결시킵니다. 이렇게 결합된 물질들은 유연하고 신축성이 있는 시스템을 형성합니다. 실험에서 연구팀은 이 물질들이 최대 500%까지 늘어나는 것을 견딜 수 있음을 입증했습니다.
자가 치유 기능은 재료가 자르거나 손상되었을 때 스스로 다시 연결될 수 있는 능력에서 비롯됩니다. 이 자가 치유 기능은 ‘이황화 메타테시스’라고 불리는 화학적 과정에 기반합니다. 간단히 말해, 이황화물이라고 불리는 결합된 황 원자 쌍을 포함한 폴리머 분자는 끊어진 후에도 스스로 다시 재결합할 수 있습니다. 이 현상은 이황화물 결합이 끊어지고 다시 결합하는, 즉 반드시 원래의 결합 파트너와는 아닌 이황화-이황화 재배열 반응에 의해 발생합니다. 고려대학교-융합과학기술대학원의 연구진에 따르면, 이 재료는 손상된 후 약 2분 이내에 회로 내 전도성을 회복할 수 있었으며, 어떠한 추가적인 조치 없이도 자가 치유가 이루어졌다고 합니다. 또한, 공기 중과 물속 모두에서 굽힘과 비틀림 등의 테스트에서도 그 성능을 유지했습니다.
이 접근 방식은 다른 유연한 전자 장치 설계에 비해 많은 이점을 제공합니다. 예를 들어, 신축성 장치의 기초로 은 나노와이어와 탄소 나노튜브가 사용된 적이 있지만, 이들은 쉽게 부서질 수 있고 KU-KIST의 재료처럼 자가 치유 특성을 갖추지 못했습니다. 다른 자가 치유가 가능한 물질인 액체 금속은 웨어러블 회로에 통합하기가 어렵다는 단점이 있습니다.
연구팀은 시연을 위해 약 4.5 제곱센티미터 크기의 다기능 센서를 제작했습니다. 이 센서에는 습도, 온도, 압력 센서가 포함되어 있으며, 네 곳에서 잘렸음에도 불구하고 자가 치유되어 센서 측정을 계속할 수 있었습니다.
쥐를 대상으로 한 이식 테스트
연구팀은 실험을 한 단계 더 발전시키기 위해 1.8 제곱센티미터 크기의 장치를 쥐의 방광에 부착하는 실험을 진행했습니다. 이 장치는 방광을 감싸고 스스로 접착되도록 설계되어, 방광에 센서를 부착하는 데 접착제나 봉합이 필요하지 않았습니다. 연구팀은 방광이 정상적인 상태에서 크기가 300%까지 변할 수 있기 때문에 실험 대상으로 방광을 선택했습니다.
이 장치는 전극과 압력 센서를 모두 포함하고 있어 방광 압력의 변화를 감지할 수 있었습니다. 또한, 전극은 근전도 신호를 통해 방광 비우기 현상을 감지할 수 있었고, 방광을 자극하여 배뇨를 유도할 수도 있었습니다. 초기 실험과 마찬가지로, 장치의 회로가 손상되었을 때도 추가적인 조치 없이 스스로 치유되었습니다.
이 재료들이 생체 적합성과 생분해성을 가지고 있다는 점은 매우 중요합니다. 이는 이 재료로 제작된 장치가 피부에 부착될 뿐만 아니라 신체 내부에 이식될 수 있음을 의미합니다. 재료가 생분해성이라는 사실은 이식 후 제거를 위해 추가적인 수술이 필요하지 않다는 것을 의미합니다. 장치는 그 목적을 다한 후 그대로 남아 있다가 체내에서 자연스럽게 흡수될 수 있습니다.
고려대학교-융합과학기술대학원의 황석원 교수는 상업화까지 몇 가지 장애물이 남아 있다고 설명했습니다. 그는 “도체와 기판 층에 사용된 일부 재료의 생체 적합성 테스트가 필요합니다. 대량 생산은 실현 가능해 보이지만, 이황화물 유도체의 높은 비용이 기술을 특수한 응용 분야 외에는 너무 비싸게 만들 수 있습니다”라고 언급했습니다. 또한, “생체 적합성 테스트와 재료 합성 최적화는 최소 1~2년이 걸릴 것”이라고 덧붙였습니다.
마무리
이번 포스팅에서는 자가 치유 기능을 가진 신축성 전도체와 이를 활용한 생체 적합성, 생분해성 웨어러블 기기의 가능성에 대해 살펴보았습니다. 이러한 기술은 의료 분야에서 새로운 치료 방법을 제시하며, 특히 추가적인 수술 없이 신체 내부에 이식된 장치가 스스로 치유되고 자연적으로 분해되는 혁신적인 접근 방식을 제공합니다. 비록 상용화까지는 몇 가지 도전 과제가 남아 있지만, 원격 의료와 환자 모니터링 기술의 발전을 통해 더욱 효율적이고 안전한 치료가 가능해질 것입니다. 앞으로도 이 기술이 가져올 변화를 기대하며, 추가적인 연구와 발전을 주목할 필요가 있습니다.